BILANS CIEPLNY CZYNNIKI ENERGETYCZNE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH Ludwik Synoradzki, Jerzy Wisialski BILANS CIEPLNY CZYNNIKI ENERGETYCZNE Jerzy Wisialski Wykład: listopad 2016

2 BILANS CIEPLNY PRAWO ZACHOWANIA ENERGII: sumaryczna ilość energii doprowadzonej do przemiany musi być równa sumarycznej ilości energii odprowadzonej. Jeśli w rozpatrywanym procesie zachodzi przemiana energii cieplnej w inny rodzaj, np. mechaniczną, elektryczną (lub na odwrót), to powinna ona być uwzględniona w równoważnej ilości w bilansowanych strumieniach cieplnych. Ogólne równanie bilansu cieplnego: Σ H wejścia = Σ H wyjścia

3 RÓWNANIE BILANSU CIEPLNEGO Po stronie przychodu: H s - entalpia wnoszona z substratami, H egzo - entalpia przemian fiz. i chemicznych egzotermicznych, H ogrz - entalpia pobierana z otoczenia lub celowo doprowadzana do układu (ogrzewanie), Po stronie rozchodu: H p H endo H ch H strat - entalpia unoszona z produktami przemiany, - entalpia przemian fiz. i chemicznych endotermicznych, - entalpia celowo odprowadzana z układu (chłodzenie), - wszelkiego rodzaju straty cieplne.

4 RÓWNANIE BILANSU CIEPLNEGO Po uwzględnieniu w/w składowych równanie bilansu cieplnego: H s + H egzo + H ogrz = H p + H endo + H ch + H strat Strumienie cieplne wnoszone przez substraty (lub unoszone przez produkty) oblicza się uwzględniając entalpię odniesienia (np. 0 o C) oraz stan skupienia (entalpię przemiany fazowej): H s = G s (c śr t + ΔH f ) gdzie: G s - strumień masowy substratu, c śr - średnie ciepło właściwe substancji, t - temperatura przemiany fazowej, ΔH f - entalpia przemiany fazowej.

5 RÓWNANIE BILANSU Ciepła reakcji chemicznych podawane w tablicach mogą mieć znak: ujemny (reakcje egzotermiczne) dodatni (reakcje endotermiczne) Ciepło wymieniane w przemianie (ogrzewanie lub chłodzenie): są to wszelkie strumienie cieplne doprowadzane z zewnątrz lub odprowadzane na zewnątrz dla pokrycia jego niedoboru lub utrzymania stałości temperatury (np. mieszaniny reakcyjnej).

6 STRATY CIEPLNE Do tej grupy należą też wszelkie straty cieplne występujące w procesie. Rzeczywista wielkość strat cieplnych zależy od warunków prowadzenia procesu, jak różnice temperatur czy prędkości przepływów oraz od rozwiązań aparaturowych takich jak tworzywa konstrukcyjne i grubość izolacji. Straty od ściany aparatu do otoczenia można obliczyć według zależności: H strat = α F z Δt gdzie: α - współczynnik wnikania ciepła, F z - zewnętrzna powierzchnia urządzenia, Δt = t śc t o - różnica temperatur ścianki urządzenia i otoczenia

7 FORMY BILANSU Formy bilansu cieplnego: Tabelaryczna: zestawienie przychód rozchód (podobna do bilansu masowego) Graficzna jako tzw. wykres strumieniowy cieplny (podobny do materiałowego wykresu Sankey a) Zgodność bilansu cieplnego ze schematem ideowym i bilansem masowym. Dla procesów i operacji periodycznych bilans w odniesieniu do: szarży, doby i jednostki masy produktu głównego, Dla przemian ciągłych: godzinowe strumienie cieplne, i w odniesieniu do doby i jednostki masy produktu głównego

8 ZAŁOŻENIA DO OBLICZEŃ CIEPLNYCH BILANS CIEPLNY PEŁNY dla energochłonnych procesów w dużej skali W projekcie procesowym należy wykonać co najmniej: - założenia do bilansu; - wszelkie niezbędne obliczenia cieplne DANE DO OBLICZEŃ CIEPLNYCH - Ciepła reakcji (egzo-, endotermiczna) - Ciepła przemian fazowych (parowania, topnienia, adsorpcji itp.) - Ciepła właściwe (czystych substancji, mieszanin, stan skupienia) - Wykresy cieplne (np. H - S)

9 CEL OBLICZEŃ CIEPLNYCH - Wielkość, rodzaj aparatów Nakłady inwestycyjne - Bilans zużycia czynników energetycznych energochłonność [ kj / 1 t produktu ] koszty wytwarzania produktu (udział w TKW) - Przepływy / zużycie czynników energetycznych [kg / h ] założenia dla branż nakłady inwestycyjne - Wpływ na środowisko naturalne

10 CZYNNIKI ENERGETYCZNE W projekcie procesowym: zestawienia zużycia oraz wymagane parametry czynników energetycznych i pomocniczych niezbędnych dla realizacji procesu technologicznego w skali przemysłowej. Zestawienia te powstają jako wynik wykonanych wcześniej bilansów masowych i cieplnych oraz dodatkowych obliczeń. Powinny być określone wymagane parametry fizyczne czynników (ciśnienie, temperatura), ich dopuszczalne wahania i ewentualne warunki dotyczące jakości. Graficzny obraz wszystkich czynników wchodzących i wychodzących z zaznaczeniem doprowadzeń i odprowadzeń do/z poszczególnych aparatów znajduje się na schemacie technologicznym. Zaznaczony podział na czynniki wchodzące i wychodzące

11 Czynniki wchodzące - Para wodna (w rozbiciu na stosowane ciśnienia, nasycona); - Woda gorąca do celów ogrzewania technologicznego; - Inne czynniki grzewcze (np. olej obiegowy); - Paliwa (gaz ziemny, olej opałowy, węgiel); - Woda chłodnicza obiegowa; - Woda przemysłowa (bezzwrotna); - Woda demineralizowana; - Czynniki chłodnicze (solanka, glikol, woda zimna); - Sprężone powietrze techniczne (ciśnienie); - Sprężone powietrze dla zasilania AKP (osuszone i bezolejowe); - Sprężony azot (ciśnienie, jakość); - Inne gazy techniczne (ciśnienie, jakość). - Odbiorniki energii elektrycznej są: pokazywane na schemacie technologicznym poprzez symbole napędów oraz wyszczególnione w specyfikacji aparatów i urządzeń.

12 Czynniki wychodzące, np: - Kondensat parowy (w rozbiciu na ciśnienia); - Woda gorąca powrotna; - Woda chłodnicza powrotna; - Czynnik chłodniczy powrót; Tabelaryczne bilanse wszystkich czynników energetycznych i pomocniczych dla poszczególnych aparatów jak i całej instalacji, np: a) zapotrzebowanie szczytowe (np. w kg/h) przekroje rurociągów, zawory b) zużycie średnie (np. w kg/h, kg/szarżę) bilans zużycia, zawory regulacyjne c) czas poboru (h/dobę) bilans d) zużycie dobowe = (b) x (c) [kg/dobę średnio] bilans zużycia

13 W bilansach czynników energetycznych dla całej instalacji uwzględnić: - Harmonogramy pracy aparatów i urządzeń. Dla dużej liczby drobnych, często powtarzających się poborów należy określić tzw. współczynnik jednoczesności poboru, obliczony lub przyjęty przez analogie z podobnymi instalacjami przemysłowymi. Duże lub inne pobory, które mogą wystąpić bardzo rzadko, (rozruch instalacji, awarie, woda p-poż). Bilanse będą służyć: - Jako założenia dla projektów instalacji energetycznych i pomocniczych w dalszych fazach projektowania - Dla obliczeń ekonomicznych (nakładów inwestycyjnych oraz kosztów ruchowych).